13.2 Python 和 C 模块

其余模块是用 C 或者混合使用 Python 和 C 编写的。这些模块的源代码的 Python 部分在 Lib 文件夹中，C 的部分在 Modules 文件夹中。不过有两个例外：

1. sys 模块在 Python/sysmodule.c 中

2. __builtins__ 模块在 Python/bltinmodule.c 中

因为 sys 模块对 CPython 的解释器和内部实现来说非常特殊，所以 sys 模块被放在 Python 目录下。可以认为 sys 模块是 CPython 的实现细节，而这些实现细节在其他的 Python 实现中可能并不存在。

当 Python 解释器实例化时，会执行 import * from __builtins__，因此所有的内置函数，比如 print()、chr()、format() 等，都可以在 Python/bltinmodule.c 中找到。

内置函数 print() 或许是你学会的第一个 Python 功能。那么当你输入 print("hello world") 后，会发生什么？

以下是执行步骤：

1. 参数 "hello world" 被编译器从一个字符串常量转换成 PyUnicodeObject。

2. 这个 PyUnicodeObject 作为参数传入 builtin_print()，builtin_print 的 kwnames 为 NULL。

3. 变量 file 被设置成 PyId_stdout，也即系统的 stdout。

4. 每个参数都被送往 file。

5. 将一个换行符（'\n'）送往 file。

以下是它的工作原理：

Python/bltinmodule.c 第 1828 行:

static PyObject *
builtin_print(PyObject *self, PyObject *const *args,
    Py_ssize_t nargs, PyObject *kwnames)
{
    ...
    if (file == NULL || file == Py_None) {
        file = _PySys_GetObjectId(&PyId_stdout);
        ...
    }
    ...
    for (i = 0; i < nargs; i++) {
        if (i > 0) {
            if (sep == NULL)
                err = PyFile_WriteString(" ", file);
            else
                err = PyFile_WriteObject(sep, file,
                                         Py_PRINT_RAW);
        if (err)
            return NULL;
        }
        err = PyFile_WriteObject(args[i], file, Py_PRINT_RAW); if (err)
        return NULL;
    }
    if (end == NULL)
        err = PyFile_WriteString("\n", file);
    else
        err = PyFile_WriteObject(end, file, Py_PRINT_RAW);
    ...
    Py_RETURN_NONE;
}

一些用 C 语言编写的模块需要依赖操作系统。因为 CPython 源代码需要编译到 macOS、Windows、Linux 和其他 *nix 操作系统，所以不得不考虑各种特殊情况。

time 模块就是一个很好的例子。Windows 使用和存储时间的方式与 Linux 和 macOS 完全不一样，这也是不同操作系统之间 clock() 函数精度不同的原因之一。

在 Modules/timemodule.c 中，基于 Unix 的操作系统的时间函数从 <sys/times.h> 导入：

#ifdef HAVE_SYS_TIMES_H
#include <sys/times.h>
#endif
...
#ifdef MS_WINDOWS
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#include <windows.h>
#include "pythread.h"
#endif /* MS_WINDOWS */
...

同样在这个文件中，可以看到 time_process_time_ns() 只是对 _PyTime_GetProcessTimeWithInfo() 的包装:

static PyObject *
time_process_time_ns(PyObject *self, PyObject *unused)
{
    _PyTime_t t;
    if (_PyTime_GetProcessTimeWithInfo(&t, NULL) < 0) {
        return NULL;
    }
    return _PyTime_AsNanosecondsObject(t);
}

在 _PyTime_GetProcessTimeWithInfo() 函数中可以看到，不同操作系统上实现该函数的方式不同，这些不同的实现方式使用宏来控制，编译时会根据操作系统编译所需要的代码到模块中。Windows 操作系统将调用 GetProcessTimes()，而 Unix 操作系统将调用 clock_gettime()。

其他对外提供同一个 API 接口但是有多组底层实现的模块还包括线程模块、文件系统模块和网络模块。由于操作系统的行为不同，CPython 源代码中通过使用一致的、抽象的接口，尽可能地向上层调用者暴露出相同的行为。